传感器第七章光电式传感器.ppt

传感器结构原理与设计 机械工程学院仪器系 李云雷 Tel:2786982 办公室：新实验楼427 第七章 光电式传感器 工作原理：被测量?光信号?电信号（借助光电器件）； 基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件； 工作过程： 被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调整到光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布； 光电器件将光信号转换为电信号； 电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。 特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低等。 第一节 光源 光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。 光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光器件等。 光谱（附加知识点） 光波：波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm， 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。 一、热辐射光源 定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。 实例：白炽灯、卤钨灯 ； 白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1－1.5μm，因此可用作近红外光源。 二、气体放电光源 定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。 特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。 实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。 特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。 三、电致发光器件－发光二极管 定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。 发光二极管的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延生长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN结接正向电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴结合时发出一定频率的光，光子频率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱。 四、激光器 激光产生的过程： 某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）； 如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）； 由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。 具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。 激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。 种类：激光器种类繁多，按工作物质分类 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。 1、固体激光器 固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝石激光器的工作介质是掺0.5%铬的氧化铝（即红宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转，受激发出深红色的激光（波长约694nm）； Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体激光器，与红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其光泵，这种激光器发出的波长为1.06μm的红外光。 固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。 2、气体激光器 特点： 气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足，气体激光器的体积一般都比较大。 气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内循环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。 由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用光泵作激励，更多的是采